JPWO2008032427A1 - 摺動部材とそれを用いた軸受 - Google Patents

Abstract

摺動部材は、希土類元素を酸化物に換算して７〜１８質量％の範囲、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１種の元素Ｍを酸化物に換算して０．１〜３質量％の範囲で含有すると共に、不純物陽イオン元素の合計含有量が０．３質量％以下で、かつ熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素焼結体を具備する。窒化珪素焼結体は窒化珪素結晶粒と粒界相とを備え、粒界相に占める結晶化合物相の割合が面積比で２０％以上であると共に、結晶化合物相の平均粒径が０．５μｍ以下である。摺動部材は例えばベアリングボール２として用いられる。

Description

本発明は摺動部材とそれを用いた軸受に関する。

摺動部材は、例えば軸受部材、圧延用ロール材、コンプレッサ用ベーン、ガスタービン翼、カムローラ等、各種の分野で使用されている。摺動部材には軽量で高強度のセラミックス材料が用いられるようになってきている。特に、窒化珪素焼結体は機械的強度や耐摩耗性に優れることから、ベアリングボール等の軸受部材への適用が進められている。

窒化珪素焼結体を用いたベアリングボール等の軸受部材に関しては、例えば焼結体組成（焼結助剤の種類や添加量等）の制御、焼結体中での各助剤成分の形態制御、製造工程の制御等に基づいて、機械的強度や転がり寿命に代表される摺動特性を向上させることが提案されている（特許文献１、２参照）。特許文献１には焼結助剤として希土類元素を酸化物換算で２〜１０質量％、スピネルを２〜７質量％、炭化珪素を１〜１０質量％、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、ＮｂおよびＣｒから選ばれる少なくとも１種を酸化物換算で５質量％以下の範囲で含有する窒化珪素焼結体が記載されている。

ところで、ＨＤＤやＤＶＤ等のディスク媒体を有する電子機器においては、スピンドルモータで回転軸を高速回転させ、回転軸に装着されたディスクを機能させる。高速回転させる回転軸の軸受に、軽量で耐摩耗性に優れる窒化珪素焼結体製のベアリングボールを適用することが試みられている。ただし、窒化珪素焼結体製のベアリングボールは、従来の金属製のベアリングボールに比べて熱伝導性に劣ることから、回転軸の高速回転により生じる熱を効率よく外部に放出することができないという難点を有している。

また、窒化珪素焼結体の熱伝導率を改善することも試みられている（特許文献３、４参照）が、単に熱伝導率を高めただけでは摺動特性が犠牲になるおそれがある。一方、各種電子部品の実装基板や放熱板として用いられる窒化珪素焼結体においては、酸素含有量や不純物陽イオン元素量を低減した窒化珪素粉末を使用することによって、熱伝導率を高めた窒化珪素焼結体が提案されている（特許文献５参照）。しかしながら、実装基板や放熱板に適用される電子部品用窒化珪素焼結体は十分な耐摩耗性を有していない。このため、電子部品用窒化珪素焼結体を軸受部材等の摺動部材に直接適用することはできない。
特開２００３−０３４５８１公報 特開２００６−０３６５５４公報 特許第３４４５３４２号公報 特開２０００−０３４１７２公報 特開平６−１３５７７１公報

本発明の目的は、窒化珪素焼結体が有する耐摩耗性や摺動特性を維持した上で、熱伝導性を向上させた摺動部材とそれを用いた軸受を提供することにある。

本発明の態様に係る摺動部材は、焼結助剤として希土類元素を酸化物に換算して７〜１８質量％の範囲、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１種の元素Ｍを酸化物に換算して０．１〜３質量％の範囲で含有すると共に、不純物陽イオン元素としてのＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｆｅ、ＭｎおよびＢの合計含有量が０．３質量％以下である窒化珪素焼結体を具備し、前記窒化珪素焼結体は窒化珪素結晶粒と粒界相とを備え、前記粒界相に占める結晶化合物相の割合が面積比で２０％以上であると共に、前記結晶化合物相の平均粒径が０．５μｍ以下であり、かつ６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴としている。

本発明の態様に係る軸受は、本発明の態様に係る摺動部材からなる転動体を具備することを特徴としている。

本発明の実施形態によるベアリングの構成を一部断面で示す図である。

符号の説明

１…ベアリング、２…ベアリングボール、３…内輪、４…外輪。

発明を実施するための形態

以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明の実施形態による摺動部材は、主成分としての窒化珪素と、焼結助剤として希土類元素を酸化物に換算して７〜１８質量％の範囲、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）から選ばれる少なくとも１種の元素Ｍを酸化物に換算して０．１〜３質量％の範囲で含有する窒化珪素焼結体を具備する。

窒化珪素焼結体は、さらに焼結助剤としてアルミニウムを酸化物に換算して０．３〜４質量％の範囲で含有していてもよい。希土類元素やアルミニウムは、例えばＳｉ―Ｒ―Ａｌ―Ｏ―Ｎ化合物（Ｒ：希土類元素）からなる粒界相を形成し、これにより焼結体の緻密化に寄与するものである。窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒（結晶相）と粒界相とから主として構成されるものである。

窒化珪素焼結体に焼結助剤として添加する希土類元素は、特に限定されるものではないが、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、サマリウム（Ｓｍ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、エルビウム（Ｅｒ）等のランタノイド系希土類元素を適用することが好ましい。希土類元素は例えば酸化物、窒化物、硼化物、炭化物、珪化物等として添加される。焼結助剤としての希土類化合物は、Ｙ、Ｃｅ、Ｓｍ、ＮｄおよびＥｒから選ばれる少なくとも１種の酸化物であることが望ましい。

希土類元素の含有量が酸化物換算で７質量％未満であると、窒化珪素焼結体を十分に緻密化することができない。さらに、粒界相に占める結晶化合物相の比率が低下して窒化珪素焼結体の熱伝導率を十分に高めることができない。窒化珪素結晶粒の粒成長も不十分となるため、転がり寿命等の摺動特性も十分に高めることができないおそれがある。希土類元素の含有量が酸化物換算で１８質量％を超えると、窒化珪素焼結体中の粒界相の量が過剰となるため、強度や熱伝導率が低下する。希土類元素の含有量は酸化物換算で８〜１４質量％の範囲とすることがより好ましい。

焼結助剤としてのアルミニウムは、希土類元素の焼結促進剤としての機能を助長する役割を果たすものであり、例えば酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等として添加される。アルミニウムの含有量が酸化物換算で０．３質量％未満であると、窒化珪素焼結体の緻密化が不十分となるおそれがある。アルミニウムの含有量が酸化物換算で４質量％を超えると粒界相が増加するだけでなく、アルミニウムが窒化珪素結晶粒中に固溶することで熱伝導率が低下するおそれがある。アルミニウムの含有量は酸化物換算で０．７〜２質量％の範囲とすることがより好ましい。

希土類化合物やアルミニウム化合物等に基づいて生成される粒界相は、一般的に非晶質相、結晶質相、もしくはこれらの混相として存在する。この実施形態の窒化珪素焼結体においては、粒界相に占める結晶化合物相の割合を面積比で２０％以上としている。粒界相に占める結晶化合物相の割合を高めることによって、窒化珪素焼結体の熱伝導率を向上させることが可能となる。粒界相に占める結晶化合物相の割合が面積比で２０％未満であると、相対的に増加する非晶質相に基づいて窒化珪素焼結体の熱伝導率が低下する。結晶化合物相の割合は面積比で３０％以上とすることがより好ましい。

さらに、粒界相中の結晶化合物相は０．５μｍ以下の平均粒径を有している。結晶化合物相の平均粒径が０．５μｍを超えると、窒化珪素焼結体の機械強度や摺動特性等が不十分となる。すなわち、結晶化合物相は窒化珪素焼結体の熱伝導率の向上に寄与するものの、機械強度的には窒化珪素結晶粒や非晶質粒界相に比べて劣ることから、結晶化合物相が大きくなりすぎると窒化珪素焼結体の機械強度や摺動特性等が損なわれてしまう。そこで、粒界相中の結晶化合物相の平均粒径を０．５μｍ以下としている。結晶化合物相の平均粒径は０．３μｍ以下とすることがより好ましい。

粒界相中の結晶化合物相は平均粒径を０．５μｍ以下とすることに加えて、最大粒径を１μｍ以下とすることが好ましい。窒化珪素焼結体の粒界相中に最大粒径が１μｍを超える結晶化合物相が存在すると、そこを起点として亀裂が生じやすくなる。このため、窒化珪焼結体を摺動部材として用いた際に、転がり寿命等が低下するおそれがある。このように、粒界相中の結晶化合物相の平均粒径を０．５μｍ以下とすることによって、窒化珪素焼結体の機械強度や摺動特性等を損なうことなく、熱伝導率を高めることが可能となる。さらに、結晶化合物相の最大粒径を１μｍ以下とすることによって、窒化珪素焼結体の摺動特性等をより再現性よく向上させることが可能となる。

上述した粒界相に占める結晶化合物相の割合や結晶化合物相の平均粒径は、後に詳述するように、焼結助剤の種類と添加量を調整することに加えて、窒化珪素焼結体の焼結工程を制御することで実現することができる。例えば、窒化珪素焼結体の焼結過程直後の冷却速度を１００℃／ｈ以下に設定することが好ましい。窒化珪素焼結体の焼結工程は、常圧焼結や雰囲気加圧焼結等による１次焼結とＨＩＰ等による２次焼結とを組合せて実施することが好ましい。これら各焼結過程直後の冷却速度をいずれも１００℃／ｈ以下に設定することが好ましい。冷却速度は５０℃／ｈ以下に設定することがより好ましい。

粒界相に占める結晶化合物相の割合はＸＲＤ分析や拡大写真の画像分析から求められる。結晶化合物相の平均粒径や最大粒径は以下のようにして測定される。まず、窒化珪素焼結体の任意の表面もしくは断面の拡大写真を撮り、この拡大写真を画像処理して結晶化合物相の粒径を測定する。このような測定を任意の４箇所に対して実施し、それらの平均値を結晶化合物相の平均粒径とする。４箇所の測定における粒径の最大値を最大粒径とする。拡大写真は５０×５０μｍの視野を１０００倍以上に拡大することが好ましい。拡大写真の撮影には、一般的に電子顕微鏡、ＸＤＳ、ＥＰＭＡ等が用いられる。

この実施形態の摺動部材を構成する窒化珪素焼結体は、さらにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１種の元素Ｍを、酸化物に換算して０．１〜３質量％の範囲で含有している。元素Ｍは酸化物、炭化物、窒化物、珪化物、硼化物等として窒化珪素焼結体に添加される。元素Ｍの化合物（Ｍ化合物）は焼結助剤や機械特性の向上剤等として機能する。例えば、Ｍ化合物を窒化珪素焼結体中に分散させることで分散強化効果を得ることができる。これによって、窒化珪素焼結体の機械強度や転がり寿命等を向上させることが可能となる。

窒化珪素焼結体の機械特性の向上効果を得る上で、元素Ｍの含有量は酸化物換算で０．１質量％以上とする。元素Ｍの含有量が酸化物換算で０．１質量％未満であると、窒化珪素焼結体からなる摺動部材の耐久性等を十分に高めることができない。元素Ｍの含有量が酸化物換算で３質量％を超えた場合にも、機械強度や転がり寿命等が低下する。さらに、窒化珪素焼結体の熱伝導率も低下するおそれがある。元素Ｍの含有量は酸化物換算で０．５〜２質量％の範囲とすることがより好ましい。

Ｍ化合物としてはＺｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｔａの化合物から選ばれる１種または２種以上を用いることが好ましい。Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｍｇの化合物（酸化物等）は、直接的に粒界相の結晶化に対して効果を発揮する。ＴｉやＴａの化合物は結晶の核として機能するため、その周囲に存在する粒界相の構成成分の結晶化を促進する。これらによって、粒界相に占める結晶化合物相の割合を高めることが可能となる。

Ｍ化合物としてはＺｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｔａの化合物から選ばれる２種以上を用いることがさらに好ましい。２種以上のＭ化合物を使用することによって、粒界相の結晶化を促進する効果が高まる。このため、前述した冷却速度の制御に基づく効果が得られやすくなる。結晶化を促進する効果が高まれば粒界相の制御が容易となり、粒界相の結晶化合物相のサイズ（平均粒径、最大径）の制御が容易になる。さらに、粒界相の制御が可能になることで、窒化珪素結晶粒の形状や大きさも制御しやすくなる。つまり、粒界相の結晶サイズと窒化珪素結晶粒の結晶サイズの両方の制御性が向上する。

窒化珪素焼結体に含有させる焼結助剤や添加剤の総量は、酸化物に換算して２０質量％以下とすることが好ましい。焼結助剤や添加剤の総量が酸化物換算で２０質量％を超えると、窒化珪素焼結体が本来有する機械強度や耐摩耗性等の特性が低下するおそれがある。この実施形態の摺動部材の特性を損なわない範囲で、希土類化合物、アルミニウム化合物、Ｍ化合物以外の化合物や元素を窒化珪素焼結体に微量添加することを許容する。その場合であっても、添加量の総量は酸化物換算で２０質量％以下とすることが好ましい。

さらに、この実施形態の窒化珪素焼結体は、不純物陽イオン元素としてのＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｆｅ、ＭｎおよびＢの合計含有量が０．３質量％以下とされている。これら不純物陽イオン元素は窒化珪素焼結体の熱伝導率を低下させる要因となるため、窒化珪素焼結体の熱伝導率を高める上で、不純物陽イオン元素の合計含有量を低減する必要がある。窒化珪素焼結体中の不純物陽イオン元素量（合計量）が０．３質量％を超えると、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素焼結体を実現することができない。不純物陽イオン元素の合計含有量は０．１質量％以下とすることがより好ましい。

不純物陽イオン元素の合計含有量を低減した窒化珪素焼結体は、その原料として用いる窒化珪素粉末中の不純物陽イオン元素量を削減することで得ることができる。具体的には、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｆｅ、ＭｎおよびＢの合計含有量が０．３質量％以下で、かつ焼結性に優れるα相型窒化珪素を９０質量％以上含む窒化珪素粉末を原料粉末として用いることが好ましい。さらに、原料として用いる窒化珪素粉末は酸素含有量が１．５質量％以下であることが好ましい。窒化珪素粉末の酸素含有量が過剰になると、それを用いて作製した窒化珪素焼結体の熱伝導率等が低下するおそれがある。

窒化珪素焼結体は気孔率が０．１％以下であることが好ましい。窒化珪素焼結体の気孔率が０．１％を超えると機械強度や転がり寿命等が低下する。さらに、窒化珪素焼結体の微構造に関しては、粒界相の構造に加えて、窒化珪素結晶粒に占めるアスペクト比が２以上の柱状粒の割合を面積比で５０％以上とすることが好ましい。窒化珪素焼結体を主として柱状（針状）の窒化珪素結晶粒で構成することによって、機械強度や転がり寿命等を向上させることができる。アスペクト比が２以上の針状窒化珪素結晶粒の割合は７０％以上であることがより好ましく、さらに好ましくは９０％以上である。

ただし、柱状の窒化珪素結晶粒が異常成長し、その最大長さが４０μｍを超えると、窒化珪素焼結体の表面性状を低下させる要因となる。これによって、転がり寿命に代表される摺動特性や耐摩耗性が低下しやすくなる。このため、針状の窒化珪素結晶粒の最大長さは４０μｍ以下とすることが好ましい。窒化珪素結晶粒のアスペクト比や最大長さは窒化珪素焼結体の原料粉末や原料組成、また焼結工程の条件等で制御される。

窒化珪素結晶粒のアスペクト比や最大長さは以下のようにして測定される。まず、窒化珪素焼結体の任意の表面もしくは断面をエッチングして助剤成分を溶出させた後に拡大写真を撮る。この拡大写真に存在する窒化珪素結晶粒の大きさと数を測定し、アスペクト比や最大長さを算出する。このような測定を任意の４箇所に対して実施し、その平均値を柱状粒の割合とする。また、４箇所の測定における粒径の最大値を最大長さとする。拡大写真は５０×５０μｍの視野を１０００倍以上に拡大することが好ましい。拡大写真の撮影には、一般的に電子顕微鏡、ＸＤＳ、ＥＰＭＡ等が用いられる。

この実施形態の摺動部材を構成する窒化珪素焼結体は、粒界相に占める結晶化合物相の割合や結晶化合物相の平均粒径、不純物陽イオン元素の含有量等に基づいて、６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有している。熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素焼結体を摺動部材に適用することによって、摺動によって生じた熱を効率よく外部に放出することができる。従って、この実施形態の摺動部材を用いた各種部品や機械の特性、安定性、信頼性等を向上させることが可能となる。窒化珪素焼結体の熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ未満であると、摺動部材の放熱性が不十分となる。

窒化珪素焼結体は熱伝導性に加えて、ビッカース硬さＨｖが１３００〜１５００の範囲の硬度と破壊靭性値が５．０ＭＰａ・ｍ^1/2以上の靭性とを満足するものである。すなわち、耐久性と放熱性とを両立させた摺動部材を提供することが可能となる。窒化珪素焼結体のビッカース硬さＨｖが１３００未満であったり、破壊靭性値が５．０ＭＰａ・ｍ^1/2未満であると、摺動部材としての特性が低下する。摺動部材のビッカース硬さＨｖが１５００を超えると相手材に対する攻撃性が顕著になる。

さらに、窒化珪素焼結体は３点曲げ強度（３点曲げ試験における抗折強度）が６５０ＭＰａ以上であることが好ましく、圧砕強度は１５０Ｎ／ｍｍ²以上であることが好ましい。このような窒化珪素焼結体を適用することによって、摺動部材としての特性をさらに高めることができる。なお、ビッカース硬度はＪＩＳ−Ｒ−１６１０で規定された測定法に基づいて、試験荷重１９８．１Ｎで試験を行った結果を示すものとする。破壊靭性値はＪＩＳ−Ｒ−１６０７で規定されたＩＦ法に基づいて測定し、ｎｉｉｈａｒａの式により算出する。圧砕強度は旧ＪＩＳ規格Ｂ１５０１に準じた測定法によりインストロン型試験機で圧縮加重をかけ、破壊時の荷重を測定することにより求めるものとする。

この実施形態の摺動部材を構成する窒化珪素焼結体は、例えば以下のようにして作製される。まず、窒化珪素粉末を用意する。窒化珪素粉末は、不純物陽イオン元素の含有量（合計量）が０．３質量％以下、酸素含有量が１．５質量％以下で、かつα相型窒化珪素を９０質量％以上含むことが好ましい。このような窒化珪素粉末に対して、希土類化合物粉末、アルミニウム化合物粉末、Ｍ化合物粉末を所定量添加し、さらに有機バインダや分散媒を加えてよく混合した後、一軸プレス、ラバープレス、ＣＩＰ等の公知の成形法を適用して所望の形状に成形する。

次に、成形体に脱脂処理を施した後に、窒素雰囲気やＡｒ雰囲気等の不活性雰囲気中で１６００〜２０００℃の範囲の温度で焼結して窒化珪素焼結体を作製する。焼結工程には、常圧焼結、雰囲気加圧焼結、ホットプレス、ＨＩＰ（ホットアイソスタティックプレス）等の焼結方法が適用可能である。常圧焼結後にＨＩＰ処理を行う等、複数の方法を組合せてもよい。特に、窒化珪素焼結体をベアリングボールのような軸受部材に適用する場合には、常圧焼結や雰囲気加圧焼結による１次焼結後に、２次焼結としてＨＩＰ処理を行うことが有効である。ＨＩＰ処理は３０ＭＰａ以上の圧力下で１６００〜１９００℃の温度で所定時間保持することにより行うことが好ましい。

この実施形態の窒化珪素焼結体は１次焼結と２次焼結とを組合せた製造方法を適用して作製することが好ましい。まず、成形体を１次焼結として１６００〜２０００℃の範囲の温度で常圧焼結または雰囲気加圧焼結する。１次焼結後は粒界相が凝固する温度まで１００℃／ｈ以下の冷却速度で徐冷する。次いで、２次焼結として１６００〜１９００℃の温度でＨＩＰ処理する。２次焼結後も１００℃／ｈ以下の冷却速度で徐冷する。１次焼結および２次焼結後の冷却速度を１００℃／ｈ以下とすることによって、粒界相を結晶化させることができる。さらに、粒界相中の結晶化合物相の粒成長を抑制することができる。

１次焼結および２次焼結後の冷却速度は５０℃／ｈ以下とすることがより好ましい。これによって、結晶化合物相の粒成長をさらに抑制することができる。焼結後に徐冷を行わない場合には、一般的に冷却速度は６００℃／ｈ程度となる。このような冷却速度では粒界相がガラス化し、粒界相に占める結晶化合物相の比率を高めることができない。なお、冷却速度が遅すぎると窒化珪素焼結体の製造性が低下するため、冷却速度は１０℃／ｈ以上とすることが好ましい。さらに、２次焼結温度を１次焼結温度より低くすることで、窒化珪素結晶粒や粒界相中の結晶化合物相の粒成長を抑制することができる。

このような製造条件を適用することによって、窒化珪素焼結体中に存在する粒界相を結晶化しつつ微細化することが可能となる。すなわち、粒界相に占める結晶化合物相の割合が面積比で２０％以上、粒界相中の結晶化合物相の平均粒径が０．５μｍ以下、さらに結晶化合物相の最大粒径が１μｍ以下の窒化珪素焼結体を得ることができる。窒化珪素結晶粒の形状に関しては、最大長さを４０μｍ以下とすることができる。従って、窒化珪素焼結体が本来有する機械強度、耐摩耗性、摺動特性を維持した上で、熱伝導率を６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と向上させた窒化珪素焼結体を得ることが可能となる。

この実施形態の摺動部材は、軸受部材、圧延用のロール材、コンプレッサ用ベーン、ガスタービン翼、カムローラのようなエンジン部品等に適用される。これらのうちでも、特にベアリングボールのような軸受部材（転動体等）に有効である。なお、上述した実施形態の窒化珪素焼結体はこれら以外に、ヒータカバーや切削工具等としても使用することができる。本発明の実施形態によるベアリングは、上述した実施形態の摺動部材（窒化珪素焼結体）からなる転動体、例えばベアリングボールを有するものである。

図１は本発明の実施形態によるベアリングの構成を示している。図１に示すベアリング１は、上述した実施形態の摺動部材からなる複数のベアリングボール２と、これらベアリングボール２を支持する内輪３および外輪４とを有している。内輪３と外輪４は回転中心に対して同心状に配置されている。基本構成は通常のベアリングと同様である。内輪３や外輪４はＪＩＳ−Ｇ−４８０５で規定されるＳＵＪ２等の軸受鋼で形成することが好ましく、これにより信頼性のある高速回転を得ることができる。

前述したように、窒化珪素焼結体（摺動部材）からなるベアリングボール２は、転がり寿命等の摺動特性に加えて放熱性に優れるものである。従って、ベアリング１を装着した回転軸を高速回転させた場合に生じる熱を効率よく外部に放出することができる。これによって、ベアリングボール２の転がり寿命等に基づく耐久性や信頼性を維持した上で、熱放散不足による不具合を解消することが可能となる。このようなベアリング１は回転軸を高速回転させる各種機器、例えばＨＤＤのような磁気記録装置やＤＶＤのような光ディスク装置等の電子機器に好適に用いられる。

次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。

（実施例１）
まず、酸素含有量が１．３質量％、不純物陽イオン元素としてのＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ｂの合計含有量が０．１５質量％、α相型窒化珪素の割合が９７質量％で、平均粒径が０．５５μｍの窒化珪素粉末を用意した。この窒化珪素粉末に対して、焼結助剤として平均粒径が０．７μｍの酸化イットリウム粉末を７質量％、平均粒径が０．５μｍの酸化アルミニウム粉末を２質量％、平均粒径が１．０μｍのＨｆＯ₂粉末を２質量％の割合で添加し、これらをエチルアルコール中で７２時間湿式混合した後に乾燥して原料混合粉末を調製した。

次に、上記した原料混合粉末に有機バインダを所定量添加して混合した後、ＣＩＰ法で成形体を作製した。得られた成形体を空気気流中で脱脂した後、不活性雰囲気中にて２０００℃の温度で常圧焼結した。常圧焼結後は１００℃／ｈで徐冷した。さらに、常圧焼結体に対して１００ＭＰａの圧力下にて１７００℃の温度でＨＩＰ処理を施した。ＨＩＰ処理後は１００℃／ｈで徐冷した。このようにして窒化珪素焼結体を作製した。

得られた窒化珪素焼結体中の粒界相について、結晶化合物相の割合、平均粒径、最大粒径を前述した方法にしたがって測定した。その結果、粒界相に占める結晶化合物相の割合（面積比）は２８％、結晶化合物相の平均粒径は０．３μｍ、結晶化合物相の最大粒径は０．７μｍであった。次いで、窒化珪素焼結体を３×４×４０ｍｍの四角柱状に加工し、その表面にＪＩＳ規格で認定されたベアリングボールのグレード３に相当する表面研磨加工を施した。このような試料を後述する特性評価に供した。

（実施例２〜１７）
表１に示す窒化珪素粉末（α相型窒化珪素の割合：９７質量％、平均粒径：０．５５μｍ）に、それぞれ焼結助剤を表１に示す組成で添加した後、実施例１と同様に混合して各原料混合粉末を調製した。これら原料混合粉末に有機バインダを所定量添加して混合した後にＣＩＰ法で成形した。得られた各成形体を空気気流中で脱脂した後、不活性雰囲気中にて常圧焼結した。さらに、各常圧焼結体に対してＨＩＰ処理を施すことによって、目的とする窒化珪素焼結体をそれぞれ得た。

常圧焼結時の温度と冷却速度、ＨＩＰ処理時の温度と冷却速度は、それぞれ表２に示す条件とした。各窒化珪素焼結体中の粒界相について、結晶化合物相の割合、平均粒径、最大粒径を測定した。測定結果は表２に示す通りである。さらに、各窒化珪素焼結体に実施例１と同様な表面研磨加工を施して後述する特性評価に供した。

（比較例１〜３）
焼結助剤としての酸化イットリウム粉末の添加量を６質量％とする以外は、実施例１と同様にして窒化珪素焼結体（比較例１）を作製した。Ｍ化合物粉末を添加しない以外は、実施例１と同様にして窒化珪素焼結体（比較例２）を作製した。不純物陽イオン元素量が０．３５質量％の窒化珪素粉末を使用する以外は、実施例１と同様にして窒化珪素焼結体（比較例３）を作製した。これら窒化珪素焼結体中の粒界相について、結晶化合物相の割合、平均粒径、最大粒径を測定した。測定結果を表２に示す。さらに、各窒化珪素焼結体を後述する特性評価に供した。

実施例１〜１７および比較例１〜３による各試料について、ビッカース硬さ、破壊靭性値、抗折強度、圧砕強度、熱伝導率を測定した。熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。他の特性については前述した方法にしたがって測定した。抗折強度については３点曲げ強度（室温）の最小値を示す。これらの測定結果を表３に示す。

表２および表３から明らかなように、窒化珪素焼結体の熱伝導率を向上させる上で、粒界相に占める結晶化合物相の割合は２０％以上とする必要がある。さらに、各実施例による窒化珪素焼結体はいずれも熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることに加えて、摺動部材として用いた場合の基本的な特性（耐摩耗性や摺動特性）に影響を及ぼすビッカース硬さ、破壊靭性値、抗折強度、圧砕強度がいずれも優れていることが分かる。

（実施例１８〜２０）
実施例１と同組成の原料混合粉末を用いて、表４に示す条件下で窒化珪素焼結体をそれぞれ作製した。表４に示す条件以外は実施例１と同様とした。これら各窒化珪素焼結体の微構造（粒界相に占める結晶化合物相の割合、窒化珪素結晶粒に占めるアスペクト比が２以上の柱状粒の割合、柱状粒の最大長さ）を前述した方法にしたがって測定した。これらの測定結果を表４に示す。測定は焼結体の断面４箇所を任意に選び、各断面に対して１０００倍の視野で実施した。これら４箇所の測定結果の平均値を示す。さらに、各窒化珪素焼結体の特性を実施例１と同様にして測定した。これらの測定結果を表５に示す。

表４および表５から明らかなように、窒化珪素焼結体の機械特性（硬度、強度、靭性等）を高める上で、窒化珪素結晶粒に占めるアスペクト比が２以上の柱状粒の割合を５０％以上とすることが好ましいことが分かる。さらに、柱状粒の最大長さは４０μｍ以下であることが好ましいことが分かる。

（実施例２１〜４０、比較例４〜６）
実施例１〜２０および比較例１〜３と同組成および同条件で作製した窒化珪素焼結体で、それぞれ直径２ｍｍのベアリングボールを作製した。ベアリングボールの表面はグレード３で表面研磨した。これら各ベアリングボールの転がり寿命を以下のようにして測定した。転がり寿命試験はスラスト型軸受試験機を用い、ＳＵＪ２鋼製の平板（相手材）上を回転させることにより実施した。転がり寿命は最大接触応力５．９ＧＰａ、回転数１２００ｒｐｍで試験し、１００時間および４００時間の継続試験が可能であるかどうかを判定した。それらの結果を表６に示す。

表６から明らかなように、各実施例による窒化珪素焼結体を用いたベアリングボールはいずれも良好な転がり疲労寿命を有することが分かる。さらに、各実施例のベアリングボールを用いてそれぞれベアリングを組立て、電子機器用のスピンドルモータに組み込んで実機試験を行った。その結果、耐久性に加えてベアリングボールが放熱性に優れることから、回転軸の高速回転により生じる熱が機器内部に滞留することによる不具合を解消することが可能であることが確認された。

実施例によるベアリングボール（窒化珪素焼結体）は、いずれも窒化珪素結晶粒に占めるアスペクト比が２以上の柱状粒の割合が面積比で５０％以上であり、かつ柱状粒の最大長さは４０μｍ以下であった。実施例１１〜１７のように、２種類以上のＭ化合物を用いた窒化珪素焼結体は、いずれも窒化珪素結晶粒に占めるアスペクト比が２以上の柱状粒の割合が面積比で９２％以上、柱状粒の最大長さが３５μｍ以下であり、粗大な粒子成長が有効に抑制されていることが分かる。

本発明の態様に係る摺動部材は、摺動特性と６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率とを両立させた窒化珪素焼結体で構成している。従って、耐久性と放熱性を共に高めた摺動部材を提供することができる。そのような摺動部材からなる転動体を用いた軸受は、耐久性、信頼性、放熱性に優れるため、各種の機器の好適に用いられる。

Claims (20)

1. 焼結助剤として希土類元素を酸化物に換算して７〜１８質量％の範囲、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１種の元素Ｍを酸化物に換算して０．１〜３質量％の範囲で含有すると共に、不純物陽イオン元素としてのＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｆｅ、ＭｎおよびＢの合計含有量が０．３質量％以下である窒化珪素焼結体を具備する摺動部材であって、
   前記窒化珪素焼結体は窒化珪素結晶粒と粒界相とを備え、前記粒界相に占める結晶化合物相の割合が面積比で２０％以上であると共に、前記結晶化合物相の平均粒径が０．５μｍ以下であり、かつ６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴とする摺動部材。
2. 請求項１記載の摺動部材において、
   前記窒化珪素焼結体は、さらにアルミニウムを酸化物に換算して０．３〜４質量％の範囲で含有することを特徴とする摺動部材。
3. 請求項１記載の摺動部材において、
   前記粒界相中の前記結晶化合物相の最大粒径が１μｍ以下であることを特徴とする摺動部材。
4. 請求項１記載の摺動部材において、
   前記窒化珪素焼結体の気孔率が０．１％以下であることを特徴とする摺動部材。
5. 請求項１記載の摺動部材において、
   前記粒界相中の前記結晶化合物相の平均粒径が０．３μｍ以下であることを特徴とする摺動部材。
6. 請求項１記載の摺動部材において、
   前記窒化珪素焼結体は、前記希土類元素と前記元素Ｍをそれらの合計量として、酸化物換算で２０質量％以下の範囲で含有することを特徴とする摺動部材。
7. 請求項２記載の摺動部材において、
   前記窒化珪素焼結体は、前記希土類元素と前記アルミニウムと前記元素Ｍをそれらの合計量として、酸化物換算で２０質量％以下の範囲で含有することを特徴とする摺動部材。
8. 請求項１記載の摺動部材において、
   前記元素ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、ＴａおよびＭｏから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする摺動部材。
9. 請求項１記載の摺動部材において、
   前記元素ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、ＴａおよびＭｏから選ばれる２種以上であることを特徴とする摺動部材。
10. 請求項１記載の摺動部材において、
    前記窒化珪素焼結体は１３００〜１５００の範囲のビッカース硬さを有することを特徴とする摺動部材。
11. 請求項１記載の摺動部材において、
    前記窒化珪素焼結体は５．０ＭＰａ・ｍ^1/2以上の破壊靭性値を有することを特徴とする摺動部材。
12. 請求項１記載の摺動部材において、
    前記窒化珪素焼結体は６５０ＭＰａ以上の３点曲げ強度を有することを特徴とする摺動部材。
13. 請求項１記載の摺動部材において、
    前記窒化珪素焼結体は１５０Ｎ／ｍｍ²以上の圧砕強度を有することを特徴とする摺動部材。
14. 請求項１記載の摺動部材において、
    前記窒化珪素結晶粒に占めるアスペクト比が２以上の柱状粒の割合が面積比で５０％以上であることを特徴とする摺動部材。
15. 請求項１４記載の摺動部材において、
    前記柱状粒の最大長さが４０μｍ以下であることを特徴とする摺動部材。
16. 請求項１記載の摺動部材において、
    軸受用転動体であることを特徴とする摺動部材。
17. 請求項１記載の摺動部材からなる転動体を具備することを特徴とする軸受。
18. 請求項１７記載の軸受において、
    前記窒化珪素焼結体は前記粒界相中の前記結晶化合物相の最大粒径が１μｍ以下であることを特徴とする軸受。
19. 請求項１７記載の軸受において、
    前記窒化珪素焼結体の気孔率が０．１％以下であることを特徴とする軸受。
20. 請求項１７記載の軸受において、
    前記窒化珪素焼結体中に含有される前記元素ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、ＴａおよびＭｏから選ばれる１種または２種以上であることを特徴とする軸受。

Images